CN107209201A - 用于自行车的无线的转速传感器、扭矩传感器和功率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种底托架，所述底托架具有：底托架轴；测量设备，所述测量设备用于测量底托架轴的转速和/或施加在底托架轴上的扭矩；和设置在底托架中的发电机，所述发电机用于给测量设备供给电能。

Description

用于自行车的无线的转速传感器、扭矩传感器和功率传感器
技术领域
本发明涉及一种用于自行车、测力计或者固定式健身器材的底托架，所述底托架具有底托架轴和测量设备，所述测量设备用于测量底托架轴的转速和/或施加在底托架轴上的扭矩。
背景技术
从DE 10 2007 046 749中已知用于自行车的驱动装置，所述驱动装置包含扭矩测量器。例如借助于磁性的极环或者霍尔传感器，或者基于光学的测量方法，来确定旋转方向和转速也是现有技术。这种扭矩和/或转速传感器已经投入市场若干年。这种扭矩和/或转速传感器迄今为止仅用于所谓的电动自行车(更确切地说：具有电动的辅助驱动器的自行车，即所谓的“Pedelecs(电动助力自行车)”)，并且用于识别驾驶员是否踩踏踏板以及以何种强度踩踏踏板。由此推导出用于马达控制装置的信息，所述马达控制装置应当按照需求提供马达功率以实现和谐的、舒适的行驶性能。
对于传统的(通过肌肉力量驱动的)自行车而言，虽然非常需要关于底托架轴的“转速”和“扭矩”的信息，但是迄今为止并不能合理地使用这种传感器。现今移动式的终端设备例如是可用的，所述移动式的终端设备能够接收许多传感器信息从而例如能够实现对个人活动日程的记录，对身体运动或者体育运动的跟踪，能量/营养需求。热衷体育运动的自行车驾驶员出于训练和诊断目的期望获得关于其实际产生的机械功率的信息(功率传感器)。使得传统的传感器迄今为止在自行车底托架区域中的使用不太实用的阻碍原因是，给传感器供给电流是困难的。电流不仅需要用于原本的测量而且需要用于以理想的方式无线地将信号传输给终端设备(例如自行车电脑、智能手机、智能手表、平板电脑等)。电池运行由于频繁的更换需求而是昂贵的，是对于客户而言不太方便的并且由于底托架区域中的狭小的空间情况在结构方面几乎是不可行的。到由车轮驱动的发电机(“Dynamo”)上的连接也是无吸引力的，因为铺设线缆是耗费的且易受干扰的，并且仅少量自行车具有发电机。由于相同的原因，即使对于具有足够的电池容量的电动自行车而言，布设线缆的构造也是不利的。
发明内容
由此，本发明的目的是，提供一种对自行车底托架中的扭矩和/或转速传感器的电流供给装置，而不需要使用电池、布设线缆或者外部的电流源。
该目的通过根据权利要求1的设备实现。根据权利要求1，根据本发明的底托架包括底托架轴；用于测量底托架轴的转速和/或施加在底托架轴上的扭矩的测量设备；和设置在底托架中的发电机，所述发电机用于给测量设备供给电能。这具有下述优点：电能在底托架自身中产生。而不需要外部的能量源。发电机在此从底托架轴的旋转运动中获得机械能并且将该机械能部分地转换为电能。
按照根据本发明的设备的一个改进方案，测量设备能够包括具有天线的无线电模块，所述无线电模块用于在测量设备和移动终端之间进行无线的数据传输，其中无线电模块尤其构成用于借助于蓝牙、ANT、ANT+、ZigBee、Z-Wave或者WLAN进行数据传输。这些无线电技术尤其适合于在短距离上将数据传输至移动式数据设备。
根据另一改进方案，用于测量底托架轴的转速的测量设备能够包括磁性的极环和至少一个霍尔传感器，其中测量设备尤其也适合于测量旋转方向。这是转速测量设备的特别有利的实施方案。
在一个优选的改进方案中，发电机包括磁性的极环和感应线圈。已经存在的极环还以如下方式用于产生电能，其方式是：通过在极环上的旋转的磁极与位于其中的至少一个感应线圈的相互作用，感应产生电压。
本发明的一个改进方案在于，极环抗扭地设置在底托架轴或者底托架壳体上。极环能够固定地与底托架轴连接并且旋转，其中感应线圈并不一起旋转。作为其替选方案，感应线圈能够随着底托架轴一起旋转，其中在这种情况下极环不旋转。
根据另一改进方案，发电机能够是线性发电机。在此，偏心盘例如能够随着底托架轴旋转并且操作线性发电机。线性马达能够包括以这种方式上下运动以及运动经过线圈的磁体。
根据另一改进方案，用于测量施加在底托架轴上的扭矩的测量设备包括磁致伸缩传感器。借助于磁致伸缩传感器尤其紧凑地执行对扭矩的测量。
本发明的一个改进方案在于，磁致伸缩传感器能够包括底托架轴的永久磁化的区域和磁场强度传感器。这是磁致伸缩传感器的一种尤其简单且可靠的设计方案。
根据另一改进方案，发电机能够构成用于产生0.1mW至10W的，尤其1mW至100mW的电功率。对于给测量设备供电包含将数据传输给移动终端设备而言，该功率范围是足够的。
根据另一改进方案，测量设备能够构成用于从所测量的扭矩和所测量的转速中确定机械功率。以这种方式例如能够确定由具有该底托架的自行车的使用者所消耗的功率。
另一改进方案在于，测量设备还能够包括用于存储测量值的存储器。由此，如果例如存在到移动终端的无线连接的中断，那么测量值能够暂时地被存储。
根据另一改进方案，测量设备还能够包括电容器和/或可再次充电的电池，所述电容器和/或可再次充电的电池以如下方式连接，使得通过发电机产生的电能可部分地被储存。由此，在旋转运动中断(从而通过发电机的电能的产生中断)时，继续提供对测量设备的能量供给，以便例如完成数据传输。
此外，测量设备能够包括用于处理所接收的传感器数据的评估装置。传感器数据能够出自转速传感器的霍尔传感器和/或出自用于进行扭矩测量的磁致伸缩传感器。
此外，本发明涉及一种具有根据本发明的底托架的自行车或者固定式健身器材/测力计。
附图说明
本发明的其它特征和优点在下文中参考附图描述，所述附图仅图解说明示例性的实施方式而并非是本发明的整个范围。不言而喻，在本发明的范围中，所示出的特征能够以不同于实例中所描述的组合应用。
图1示出根据本发明的底托架的第一实施方式。
图2示出根据本发明的底托架的第二实施方式。
图3示出根据本发明的底托架的第三实施方式。
具体实施方式
图1示出根据本发明的底托架的第一实施方式100。
底托架100包括：底托架轴110，用于测量底托架轴110的转速的测量设备120、130、140，和设置在底托架100中的发电机150、130，所述发电机用于给测量设备供给电能。测量设备在此由极环130，一个或多个霍尔传感器140构成，所述极环在外边缘上设有交替设置的磁北极和磁南极，所述霍尔传感器用于检测旋转的极环的北极和南极的磁场。由此能够确定极环的转速从而确定底托架轴110的转速。测量设备为此还包括评估装置120，所述评估装置处理一个或多个霍尔传感器140的信号。通过在设置霍尔传感器140时相对于极环130的北极和南极的周期性的相位偏移，也能够推测旋转方向。发电机130、150在此包括已经描述的磁极转子130以及线圈150，在所述磁极转子旋转时磁极转子130的磁极引导穿过所述线圈并且在线圈150中感应产生电压。如此产生的这种电能被输送给测量设备120、130、140，尤其评估装置120。所提到的组成部分设置在底托架壳体160中，其中仅底托架轴110朝向两侧伸出，并且其中在其端部处分别安置有踏板曲柄，所述踏板曲柄由使用者机械地操作。
图2示出根据本发明的底托架的第二实施方式200。图1中的相同的元件在此设有相同的附图标记，其中仅将百位数提高到2。
在此，测量设备还包括磁致伸缩传感器215、270，所述磁致伸缩传感器由底托架轴210的沿着环周方向磁化的区域215和磁场传感器270构成。评估装置220构成用于确定施加在底托架轴210上的扭矩。此外，设有具有天线224的发送模块222，以便将数据信号从评估单元220传输给未示出的移动终端。
图3示出根据本发明的底托架的第三实施方式300。图1和2中的相同的元件在此设有相同的附图标记，其中仅将百位数提高到3。
在此，仅示出扭矩传感器315、370，然而并未示出转速传感器。替代于图1和2的磁极转子，在环周上具有周期性结构的转子335设置在轴310上。转子335的中点距环周的距离例如能够以正弦函数的形式按平均半径来变化，其中所述环周被划分为整数个周期。在旋转时，转子335的具有可变的半径的环周，操作线性发电机380。该线性发电机包括磁体381，所述磁体安装在具有弹簧元件382的引导装置内部并且通过转子335的环周上下运动。此外设有线圈350，在所述线圈中，通过磁体381的运动感应产生电压。在评估单元320中在此附加地设有电容器326，所述电容器部分地储存线性发电机380的电能，以便在通过线性发电机380进行的能量供应中断时，继续给测量设备供给电能，尤其给评估装置320和发送模块322供给电能。
综上所述：底托架中的传感机构的电流需求(更确切地说，用于原本的传感机构的和用于无线的信号传输的电流需求)通过集成的微型发电机满足：类似于轮驱动的发电机，从底托架轴的旋转运动中产生在1mW……100mW的范围中的电能。在一个尤其有利的实施方案中，用于识别转速和旋转方向的极环足以通过感应线圈同时产生电流。根据信息“扭矩”和“转速”可直接了解机械功率，所述机械功率的时间曲线分布得出能量消耗。将这些数据无线地，例如通过蓝牙、ANT或者类似协议转发给终端设备并且在终端设备处提供用于进一步的评估、存储等。以这种方式，传统的自行车或者固定式健身器材/测力计能够无线地提供有价值的数据，而不用进行有干扰性的和耗费的构造上的改变(尤其不用进行线缆布设)。可列举的优点是：最小的构件耗费、在传统的自行车或测力计/健身器材中的最简单的可集成性；无线性；避免结构上的耗费、布设线缆的成本和易故障性；用户易用性：避免经常的电池更换或者再充电，或者避免通过发电机将可能存在的电池再次充电。

Claims (14)

1.一种底托架(100)，所述底托架包括：
底托架轴(110)；
测量设备(120，130，140)，所述测量设备用于测量所述底托架轴的转速和/或施加在所述底托架轴上的扭矩；
其特征在于，
设有设置在所述底托架(100)中的发电机(130，150)，所述发电机用于将出自所述底托架轴的旋转运动的机械能转换为电能，以便给所述测量设备供给电能。
2.根据权利要求1所述的底托架，其中所述测量设备包括具有天线的无线电模块，所述无线电模块用于在所述测量设备和移动终端之间进行无线的信号传输，其中所述无线电模块尤其构成用于借助于蓝牙、ANT、ANT+、ZigBee、Z-Wave或者WLAN进行信号传输。
3.根据权利要求1或2所述的底托架，其中用于测量所述底托架轴的转速的所述测量设备包括磁性的极环和至少一个霍尔传感器，并且其中所述测量设备尤其也适合于测量旋转方向。
4.根据权利要求3所述的底托架，其中所述极环抗扭地设置在所述底托架轴上或者设置在底托架壳体上。
5.根据权利要求3或4所述的底托架，其中所述发电机包括磁性的极环和感应线圈。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的底托架，其中所述发电机是线性发电机。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的底托架，其中用于测量施加在所述底托架轴上的扭矩的所述测量设备包括磁致伸缩传感器。
8.根据权利要求7所述的底托架，其中所述磁致伸缩传感器包括所述底托架轴的永久磁化的区域和磁场强度传感器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的底托架，其中所述发电机构成用于产生0.1mW至10W的，尤其1mW至100mW的电功率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的底托架，其中所述测量设备构成用于从所测量的扭矩和所测量的转速中确定机械功率。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的底托架，其中所述测量设备还包括用于存储测量值的存储器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的底托架，其中所述测量设备还包括电容器和/或能再次充电的电池，所述电容器和/或可再次充电的电池以如下方式连接，使得通过所述发电机产生的电能能够部分地被储存。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的底托架，其中所述测量设备包括评估装置(120)，所述评估装置用于处理所接收的传感器数据。
14.一种具有根据权利要求1至13中任一项所述的底托架的设备，其中所述设备是自行车、测力计或者健身器材。
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